隨著美國燃煤發(fā)電量穩(wěn)步下降，哪種能源將最終替代煤炭來滿足美國電力需求的問題仍然沒有答案。因過去十年開采技術(shù)不斷進(jìn)步而價(jià)格低廉的天然氣是一個(gè)潛在候選。而技術(shù)的突破性進(jìn)展和創(chuàng)新商業(yè)模式的出現(xiàn)使無論大規(guī)模還是分布式風(fēng)電和太陽能電力項(xiàng)目的長期價(jià)格屢創(chuàng)新低，他們也成為了天然氣發(fā)電的強(qiáng)勁競爭對(duì)手。
這些趨勢(shì)可能并不是互相排斥的。事實(shí)上，許多電力行業(yè)參與者認(rèn)為天然氣和可再生能源可以攜手共同發(fā)展。多年來，美國電力公司和系統(tǒng)運(yùn)營商一直主張通過修建天然氣發(fā)電裝機(jī)能夠有效平衡波動(dòng)的可再生能源并滿足峰值負(fù)荷，還指出了電網(wǎng)內(nèi)可再生能源發(fā)電比例也許存在“上限”。此外，風(fēng)能和太陽能資源豐富時(shí)會(huì)降低能源價(jià)格，這種“優(yōu)先順序效應(yīng)”會(huì)降低可再生能源項(xiàng)目開發(fā)的投資回報(bào)率，并有可能進(jìn)一步限制它們?cè)谡麄�(gè)發(fā)電系統(tǒng)中所占的比例。
但是，這一分析僅描述了供應(yīng)側(cè)的情況而忽視了需求側(cè)的彈性。落基山研究所在最新報(bào)告《需求彈性：實(shí)現(xiàn)低成本低碳電網(wǎng)的關(guān)鍵》中展示了需求彈性可以成為比燃?xì)怆姀S成本更低、污染更少的替代品來平衡電網(wǎng)中的可再生能源。我們通過模擬在大范圍地理區(qū)域內(nèi)調(diào)度需求彈性，將一天之中用電需求高但可再生能源供應(yīng)不足時(shí)段的電力消費(fèi)轉(zhuǎn)移到可再生能源供應(yīng)充足的時(shí)段。研究發(fā)現(xiàn)，與依賴于燃?xì)獍l(fā)電相比，這種策略能夠顯著地降低用戶成本，減少可再生能源棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，降低峰值需求和碳排放。
為什么提高可再生能源發(fā)電裝機(jī)比例會(huì)限制其自身經(jīng)濟(jì)效益
由于運(yùn)營成本低廉，新增可再生能源裝機(jī)常常會(huì)替代電網(wǎng)中成本更高的發(fā)電裝機(jī)，從而降低整體批發(fā)電力價(jià)格。系統(tǒng)中波動(dòng)性可再生能源裝機(jī)量的升高也會(huì)造成能源需求和供應(yīng)之間的不匹配，因燃煤電廠和核電廠等缺乏彈性的發(fā)電裝機(jī)無法在可再生能源豐富時(shí)段降低出力，迫使可再生能源降低出力，增加可再生能源棄風(fēng)棄光的風(fēng)險(xiǎn)。
可再生能源供應(yīng)和隨時(shí)段變化的電力需求之間的不匹配，再加上缺乏彈性的火力發(fā)電裝機(jī)，會(huì)極大地降低可再生能源項(xiàng)目的收益，阻礙它們市場份額的增長。例如，在加利福尼亞州和美國中西部地區(qū)，可再生能源應(yīng)用比例的提高、電網(wǎng)擁堵和其他發(fā)電設(shè)施缺乏彈性等原因正在造成可再生能源發(fā)電收益的下降。
將可再生能源與需求而不是供應(yīng)相結(jié)合
落基山研究所的最新報(bào)告展示了如何通過利用控制和通信技術(shù)來管理能源消費(fèi)，從而解決需求與供應(yīng)不匹配，以及可再生能源“價(jià)值縮水”的問題。一般而言，需求響應(yīng)技術(shù)僅注重于在高負(fù)荷時(shí)段削減負(fù)荷，而我們的研究分析了需求彈性在轉(zhuǎn)移一天中電力消費(fèi)時(shí)段方面起到的作用，同時(shí)保持一天中電力消費(fèi)總量不變。
我們?cè)凇吨厮苣茉础费芯恐兄厮芮榫暗幕A(chǔ)上，對(duì)未來德克薩斯州高比例可再生能源電力系統(tǒng)每小時(shí)的電力供需情況進(jìn)行模擬。分析結(jié)果顯示，在8種家用和商用終端電力負(fù)荷中使用需求彈性技術(shù)，將電力需求轉(zhuǎn)移到可再生能源豐富的時(shí)段能夠平緩凈負(fù)荷曲線并降低峰值負(fù)荷，極大地降低下午時(shí)段對(duì)發(fā)電量爬升的需求。與缺乏彈性需求的系統(tǒng)相比，需求彈性能夠通過減少棄風(fēng)棄光使可再生能源的價(jià)值提高30%以上，大幅提高開發(fā)新建可再生能源項(xiàng)目的吸引力。
圖1：日常需求彈性凈負(fù)荷與變化
需求彈性不僅可以使需求更好地匹配波動(dòng)性的能源供應(yīng)，還能夠以比僅依靠燃?xì)怆姀S綜合成本更低、碳排放更少的系統(tǒng)來平衡可再生能源并滿足峰值負(fù)荷需求。總體來看，在模擬系統(tǒng)中利用需求彈性能夠每年避免大約20億美元的發(fā)電成本，并減少1/5的二氧化碳排放。這一量級(jí)的彈性需求還能夠減少40%的可再生能源棄風(fēng)棄光，降低24%的凈負(fù)荷峰值(總負(fù)荷減去可再生發(fā)電)，并減少56%的數(shù)小時(shí)負(fù)荷爬升(“鴨子曲線”)平均幅度。
將需求彈性納入系統(tǒng)規(guī)劃
要完全實(shí)現(xiàn)這些效益，必須將需求彈性作為一種核心資源納入電網(wǎng)和資產(chǎn)規(guī)劃的各個(gè)階段。如果在采購決策中沒有充分考慮需求彈性，可能會(huì)造成燃?xì)怆姀S或新建基礎(chǔ)設(shè)施的過度投資，當(dāng)需求彈性隨著機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的進(jìn)步而變得更具經(jīng)濟(jì)可行性且應(yīng)用更廣泛時(shí)，這些投資可能會(huì)成為擱淺資產(chǎn)。在設(shè)定電網(wǎng)中可再生能源供應(yīng)份額目標(biāo)時(shí)，需求彈性能夠通過大幅提高新建可再生能源裝機(jī)的價(jià)值而進(jìn)一步提高之前確定的可再生能源應(yīng)用上限。將需求彈性與可再生能源項(xiàng)目結(jié)合還能夠降低項(xiàng)目開發(fā)商和承購商面臨不確定回報(bào)時(shí)的部分價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)。
激勵(lì)電力公司和電力用戶投資需求彈性
一個(gè)多世紀(jì)以來，電力公司收入由服務(wù)成本決定這一監(jiān)管原則都在鼓勵(lì)電力公司優(yōu)先考慮監(jiān)管部門列出的能夠納入電費(fèi)計(jì)算的資本投資，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)商業(yè)模式下這樣能夠帶來更高的收益。然而，新的監(jiān)管條例開始出現(xiàn)，允許電力公司通過投資或采購低成本和/或第三方持有的需求彈性并將其作為電網(wǎng)資源來維持傳統(tǒng)投資回報(bào)。這些對(duì)傳統(tǒng)電力公司商業(yè)模式的調(diào)整將為擴(kuò)大需求彈性在系統(tǒng)規(guī)劃決策中的應(yīng)用起到關(guān)鍵作用。
能源用戶在購買新的彈性技術(shù)的決策過程中也將需要足夠的激勵(lì)。其中，價(jià)格補(bǔ)貼能夠降低投資成本，而旨在獎(jiǎng)勵(lì)電網(wǎng)友好消費(fèi)方式的分時(shí)電費(fèi)能夠改善用戶投資回報(bào)。此外，非物質(zhì)性激勵(lì)措施，比如增加自動(dòng)化和控制技術(shù)的應(yīng)用來提高用戶體驗(yàn)，能進(jìn)一步鼓勵(lì)用戶參與電力公司的需求彈性項(xiàng)目。
氣候和用戶的雙贏機(jī)遇
美國電網(wǎng)已經(jīng)來到了十字路口。落基山研究所預(yù)計(jì)可能有大約半數(shù)的現(xiàn)存燃煤、燃?xì)夂秃穗姀S將在今后的15年內(nèi)退役，造成大量的發(fā)電裝機(jī)缺口需要填補(bǔ)。與此同時(shí)，可再生能源價(jià)格正在以比預(yù)計(jì)更快的速度下降，造成了可再生能源應(yīng)用率的加速上升。投資新建燃?xì)怆姀S來替代退役電廠以及平衡波動(dòng)的新建可再生能源設(shè)施會(huì)在今后的數(shù)十年中鎖定大量成本和碳排放。但我們通過最新研究證明了需求彈性可以成為更清潔、更經(jīng)濟(jì)的替代方式，為可再生能源、電力公司和能源用戶等帶來新的價(jià)值。